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      半导体设备行业深度报告:市场再创新高,国产化替代空间广阔(二)

      日期:2022-04-09 15:05
      浏览次数:216
      摘要: 接上篇文章 1.3.晶圆制造 晶圆制造是半导体制造过程中*重要也是*复杂的环节,整个晶圆制造过程包括数百道工艺流程,涉及数十种半导体设备。晶圆制造主要的工艺流程包括热处理、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨和清洗。 1.3.1 热处理工艺 热处理主要包括氧化、扩散和退火工艺。氧化是一种添加工艺,是将硅片放入高温炉中,加入氧气与之反应,在晶圆表面形成二氧化硅。扩散是通过分子热运动使物质由高浓度区移向低浓度区,利用扩散工艺可以在硅衬底中掺杂特定的掺杂物,从而改变半导体的导电...

      接上篇文章

      1.3.晶圆制造

      晶圆制造是半导体制造过程中*重要也是*复杂的环节,整个晶圆制造过程包括数百道工艺流程,涉及数十种半导体设备。晶圆制造主要的工艺流程包括热处理、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨和清洗。

      1.3.1 热处理工艺

      热处理主要包括氧化、扩散和退火工艺。氧化是一种添加工艺,是将硅片放入高温炉中,加入氧气与之反应,在晶圆表面形成二氧化硅。扩散是通过分子热运动使物质由高浓度区移向低浓度区,利用扩散工艺可以在硅衬底中掺杂特定的掺杂物,从而改变半导体的导电率,但与离子注入相比扩散掺杂不能独立控制掺杂物浓度和结深,因此现在应用越来越少。退火是一种加热过程,通过加热使晶圆产生特定的物理和化学变化,并在晶圆表面增加或移除少量物质。

      热处理工艺使用的半导体设备为氧化扩散设备,其实质为高温炉。高温炉分为直立式和水平式高温炉,高温炉主要包括五个基本组件:控制系统、工艺炉管、气体输送系统、气体排放系统和装载系统。高温炉必须具有稳定性、均匀性、**的温度控制、低微粒污染、高生产率和可靠性。


      氧化扩散设备主要由东京电子、科意半导体和应用材料供应,国内的氧化扩散设备生产商主要包括北方华创和屹唐半导体。从长江存储的招标情况来看,氧化扩散设备还是以国外厂商设备为主,国内厂商北方华创市占率逐年上升,截至今年10月,从设备数量来看,北方华创热处理设备在长江存储的占比已经超过了30%,屹唐半导体占比1%

      1.3.2 光刻工艺

      光刻是将设计好的电路图从光刻版或倍缩光刻版转印到晶圆表面的光刻胶上,便于后续通过刻蚀和离子注入等工艺实现设计电路,是晶圆制造中*重要的技术。光刻工艺包括三个核心流程:涂胶、对准和曝光以及光刻胶显影。整个光刻过程需要经过八道工序:晶圆清洗、表面预处理、光刻胶自旋涂敷、软烘烤、对准、曝光、曝光后烘烤、显影、坚膜烘烤和图形检测。

      光刻工艺流程中*核心的半导体设备是光刻机,光刻机是半导体设备中技术壁垒*高的设备,其研发难度大,价值量占晶圆制造设备中的30%。目前全球的优异光刻机由荷兰ASML公司垄断,ASML是全球*大的光刻机生产商,是全球唯壹能够生产EUV光刻机的厂商,EUV光刻机是先进制程工艺中的核心设备。中低端光刻机除ASML外,还有日本的CanonNikon可以供应。

      目前国内具备光刻机生产能力的企业主要是上海微电子装备有限公司。上海微电子装备(集团)股份有限公司(简称SMEE)主要致力于半导体装备、泛半导体装备、优异智能装备的开发、设计、制造、销售及技术服务。公司设备广泛应用于集成电路前道、先进封装、FPD面板、MEMSLEDPowerDevices等制造领域。

      在集成电路领域,上海微电子产品主要包括光刻机和晶圆对准及缺陷检测设备。公司的光刻机产品有SSX600SSB500两个系列,其中SSX600系列主要应用于IC前道光刻工艺,可满足IC前道制造90nm110nm280nm关键层和非关键层的光刻工艺需求;SSB500系列光刻机主要应用于IC后道先进封装工艺。

      除上海微电子生产光刻机整机以外,国内还有华卓精科和国科精密从事光刻机零部件的研发和生产。华卓精科以光刻机双工件台这一超精密机械领域的**产品为核心,并以该产品的超精密测控技术为基础,开发了晶圆级键合设备、激光退火设备等整机产品。国科精密致力于极大规模集成电路光刻投影光学、显微光学、多光谱融合成像探测、超精密光机制造与检测等领域的高技术研究,同时开展相应各类优异光学仪器与装备产品的研发工作,2016年公司研发的我国首套用于优异IC制造的NA0.75投影光刻机物镜系统顺利交付用户。

      光刻工序所使用的半导体设备除了核心设备光刻机外,还需要涂胶显影设备。涂胶显影设备是光刻工序中与光刻机配套使用的涂胶、烘烤及显影设备,

      包括涂胶机、喷胶机和显影机,在8英寸及以上晶圆的大型生产线上,此类设备一般都与光刻设备联机作业,组成配套的圆片处理与光刻生产线,与光刻机配合完成精细的光刻工艺流程。全球的涂胶显影设备基本上被TEL垄断,国内涂胶显影设备厂有沈阳芯源微和盛美股份。

      1.3.3 刻蚀工艺

      刻蚀是通过移除晶圆表面材料,在晶圆上根据光刻图案进行微观雕刻,将图形转移到晶圆表面的工艺。刻蚀分为湿法刻蚀和干法刻蚀,湿法刻蚀是利用化学溶液溶解晶圆表面的材料,干法刻蚀使用气态化学刻蚀剂与材料产生反应来刻蚀材料并形成可以从衬底上移除的挥发性副产品。由于等离子体产生促进化学反应的自由基能显著增加化学反应的速率并加强化学刻蚀,等离子体同时也会造成晶圆表面的离子轰击,故干法刻蚀一般都是采用等离子刻蚀。

      集成电路芯片刻蚀工艺中包含多种材料的刻蚀,单晶硅刻蚀用于形成浅沟槽隔离,多晶硅刻蚀用于界定栅和局部连线,氧化物刻蚀界定接触窗和金属层间接触窗孔,金属刻蚀主要形成金属连线。


      3具有多晶硅栅和铝金属化CMOS芯片刻蚀工艺

      目前等离子刻蚀是晶圆制造中使用的主要刻蚀方法,电容性等离子刻蚀(CCP)和电感性等离子刻蚀(ICP)是两种常用的等离子刻蚀方法。电容性等离子体刻蚀主要是以高能离子在较硬的介质材料上,刻蚀高深宽比的深孔、深沟等微观结构;而电感性等离子体刻蚀主要是以较低的离子能量和极均匀的离子浓度刻蚀较软的和较薄的材料。

      原子层刻蚀(ALE)是指通过一系列的自限制反应去除单个原子层,不会触及和破坏底层以及周围材料的先进半导体生产工艺。原子层刻蚀可以实现精准的控制,具有优良的各向异性,是未来刻蚀工艺的发展方向。

      刻蚀工艺使用的半导体设备为刻蚀机。全球刻蚀设备行业的主要企业即泛林半导体(LamResearch),东京电子(TEL)和应用材料(AMAT)三家。从全球刻蚀设备市场份额来看,三家企业的合计市场份额就占到了全球刻蚀设备市场的90%以上。其中泛林半导体独占52%的市场份额,东京电子与应用材料分别占据20%19%的市场份额

      1.3.4 离子注入工艺

      离子注入是一种添加工艺,利用高能量带电离子束注入的形式,将掺杂原子强行掺入半导体中,从而控制半导体的导电率。离子注入提供了比扩散过程更好的掺杂工艺控制,例如在扩散工艺中掺杂物的浓度和结深无法独立控制,而在离子注入中可以通过离子束电流和注入时间控制掺杂物浓度,通过离子的能量控制掺杂物的结深,因此离子注入是目前半导体行业中的主要掺杂方法。

      离子注入所使用的半导体设备为离子注入机,离子注入机是非常庞大的设备,包括了气体系统、电机系统、真空系统、控制系统和*重要的射线系统。根据离子束电流和束流能量范围,一般可以把离子注入机分为低能大束流离子注入机、高能离子注入机和中低束离子注入机。

      离子注入机可以应用在集成电路和光伏领域。在集成电路领域,全球的离子注入机为应用材料所垄断,其市场占有率达到了70%,其次为Axcelis,占据了近20%的市场份额。国内的离子注入机生产企业主要是凯世通和北京中科信,202012月凯世通宣布拟向芯成科技出售312英寸集成电路离子注入机,国产离子注入机迈出了关键一步。


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